深入探索Java工作原理：JVM，內(nèi)存回收及其他
Java語言引入了Java虛擬機，具有跨平臺運行的功能，能夠很好地適應各種Web應用。同時，為了提高Java語言的性能和健壯性，還引入了如垃圾回收機制等新功能，通過這些改進讓Java具有其獨特的工作原理。
1．Java虛擬機
Java虛擬機（Java Virtual Machine，JVM）是軟件模擬的計算機，它可以在任何處理器上（無論是在計算機中還是在其他電子設(shè)備中）安全兼容地執(zhí)行保存在.class文件中的字節(jié)碼。Java虛擬機的“機器碼”保存在.class文件中，有時也可以稱之為字節(jié)碼文件。
Java程序的跨平臺特性主要是指字節(jié)碼文件可以在任何具有Java虛擬機的計算機或者電子設(shè)備上運行，Java虛擬機中的Java解釋器負責將字節(jié)碼文件解釋成為特定的機器碼進行運行。因此在運行時，Java源程序需要通過編譯器編譯成為.class文件。
Java虛擬機的建立需要針對不同的軟硬件平臺來實現(xiàn)，既要考慮處理器的型號，也要考慮操作系統(tǒng)的種類。由此在SPARC結(jié)構(gòu)、X86結(jié)構(gòu)、MIPS和PPC等嵌入式處理芯片上，在UNIX、Linux、Windows和部分實時操作系統(tǒng)上都可實現(xiàn)Java虛擬機。
2．無用內(nèi)存自動回收機制
在程序的執(zhí)行過程中，部分內(nèi)存在使用過后就處于廢棄狀態(tài)，如果不及時進行回收，很有可能會導致內(nèi)存泄漏，進而引發(fā)系統(tǒng)崩潰。在C++語言中是由程序員進行內(nèi)存回收的，程序員需要在編寫程序時把不再使用的對象內(nèi)存釋放掉，這種人為管理內(nèi)存釋放的方法往往由于程序員的疏忽而致使內(nèi)存無法回收，同時也增加了程序員的工作量。而在Java運行環(huán)境中，始終存在著一個系統(tǒng)級的線程，專門跟蹤內(nèi)存的使用情況，定期檢測出不再使用的內(nèi)存，并自動進行回收，避免了內(nèi)存的泄露，也減輕了程序員的工作量。
3．代碼安全性檢查機制
安全和方便總是相對矛盾的。Java編程語言的出現(xiàn)使得客戶端計算機可以方便地從網(wǎng)絡上上傳或下載Java程序到本地計算機上運行，但是如何保證該Java程序不攜帶病毒或者沒有其他危險目的呢？為了確保Java程序執(zhí)行的安全性，Java語言通過Applet程序來控制非法程序的安全性，也就是有了它才確保Java語言的生存。
Java字節(jié)碼的執(zhí)行需要經(jīng)過以下3個步驟：
（1）由類裝載器（class loader）負責把類文件（.class文件）加載到Java虛擬機中。在此過程需要檢驗該類文件是否符合類文件規(guī)范。
（2）字節(jié)碼校驗器（bytecode verifier）檢查該類文件的代碼中是否存在著某些非法操作，例如Applet程序中寫本地計算機文件系統(tǒng)的操作。
（3）如果字節(jié)碼校驗器檢驗通過，由Java解釋器負責把該類文件解釋成為機器碼進行執(zhí)行。
注意：
Java虛擬機采用“沙箱”運行模式，即把Java程序的代碼和數(shù)據(jù)都限制在一定內(nèi)存空間里執(zhí)行，不允許程序訪問該內(nèi)存空間以外的內(nèi)存。如果是Applet程序，還不允許訪問客戶端機器的文件系統(tǒng)。
Java的運行環(huán)境
無論哪種語言都需要有它特定的運行環(huán)境，也就是平臺。Java語言同樣不例外。但是如何理解Java程序與硬件環(huán)境無關(guān)呢？
幾乎所有的語言都需要通過編譯或者解釋才可以被計算機執(zhí)行，但是Java有一點不同，它同時需要這兩個過程。其實，也正是因為這個原因才使Java這種語言具有了平臺無關(guān)性。當完成一個Java源程序后，首先，通過Java翻譯程序?qū)⑺幾g成一種叫做字節(jié)碼的中間代碼，然后再由Java平臺的解釋器將它轉(zhuǎn)換成為機器語言來執(zhí)行，這一平臺的核心就是JVM。
Java的編譯過程與其他的語言不同。像C++這樣的語言，在編譯時它是與計算機的硬件平臺信息密不可分的。編譯程序通過查表將所有指令的操作數(shù)和操作碼等轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的偏移量，即程序運行時的內(nèi)存分配方式，目的是保證程序正常運行。而Java卻是將指令轉(zhuǎn)換成為一種.class的文件，這種文件不包含硬件的信息，需要執(zhí)行時只要經(jīng)過安裝有JVM的機器進行解釋，創(chuàng)建內(nèi)存分配后再通過查表來確定一條指令所在的地址。這樣就有效地保證了Java的可移植性和安全性。
Java平臺具有這樣的特性和它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常一個程序運行的平臺是一個硬件或者軟件運行的環(huán)境，目前比較流行的是Windows XP、Linux、Solaris和MacOS。Java的平臺不太一樣，它由兩個部分組成，即JVM和應用程序設(shè)計接口。
1．JVM
JVM是Java平臺的核心，為了讓編譯產(chǎn)生的字節(jié)碼能更好地解釋與執(zhí)行，因此把JVM分成了6個部分：JVM解釋器、指令系統(tǒng)、寄存器、棧、存儲區(qū)和碎片回收區(qū)。
◆JVM解釋器：即這個虛擬機處理字段碼的CPU。
◆JVM指令系統(tǒng)：該系統(tǒng)與計算機很相似，一條指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼為8位二進制數(shù)，主要是為了說明一條指令的功能，操作數(shù)可以根據(jù)需要而定，JVM有多達256種不同的操作指令。
◆寄存器：JVM有自己的虛擬寄存器，這樣就可以快速地與JVM的解釋器進行數(shù)據(jù)交換。為了功能的需要，JVM設(shè)置了4個常用的32位寄存器：pc（程序計數(shù)器）、optop（操作數(shù)棧頂指針）、frame（當前執(zhí)行環(huán)境指針）和vars（指向當前執(zhí)行環(huán)境中第一個局部變量的指針）。
◆JVM棧：指令執(zhí)行時數(shù)據(jù)和信息存儲的場所和控制中心，它提供給JVM解釋器運算所需要的信息。
◆存儲區(qū)：JVM存儲區(qū)用于存儲編譯過后的字節(jié)碼等信息。
◆碎片回收區(qū)：JVM碎片回收是指將使用過的Java類的具體實例從內(nèi)存進行回收，這就使得開發(fā)人員免去了自己編程控制內(nèi)存的麻煩和危險。隨著JVM的不斷升級，其碎片回收的技術(shù)和算法也更加合理。JVM 1.4.1版后產(chǎn)生了一種叫分代收集技術(shù)，簡單來說就是利用對象在程序中生存的時間劃分成代，以此為標準進行碎片回收。
2．Java應用程序設(shè)計接口
Java Application Programming Interface簡稱Java API，其中文名為Java應用程序設(shè)計接口。它是一個軟件集合，其中有許多開發(fā)時所需要的控件，可以用它來輔助開發(fā)。
Java API和JVM構(gòu)成了Java運行的基本環(huán)境，這兩種軟件整合在一起處于計算機之上，通過這兩種軟件，Java平臺把一個Java應用程序從硬件系統(tǒng)分離開，從而很好地保證了程序的獨立性。為了更好地適應開發(fā)的需要，Java的設(shè)計者們提供了3種版本的Java平臺：Java 2 Micro Edition （J2ME ）、Java 2 Standard Edition（J2SE）和 Java 2 Enterprise Edition （J2EE），每一種版本都提供了豐富的開發(fā)工具以適應不同的開發(fā)需要。
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